周 军,李玉娇综述,周国华审校

0 引 言

战争环境下,战创伤是造成战场减员最主要的原因,严重威胁官兵的生命安全。所以,开展及加强战创伤研究是增强卫勤保障能力必不可少的重要一环。现代战争中武器种类繁多,造成战创伤的方式、部位及损伤严重程度等各不相同。各种武器中,有一类性质极恶劣的大规模杀伤性武器——生化武器(包括生物武器和化学武器),虽已被定为禁用武器,但未来战场是否会再次出现仍未可知;此外,生化武器也是现在恐怖分子实施袭击或威胁的重要手段[1-2]。因此,介于生化武器的严重危害性,必须做好一定的预防性准备,其对机体造成的战创伤需加强研究,以开发出相应的反生化试剂和药物。

生化武器的本质是各类生物战剂和化学战剂的使用,可以是细菌、真菌、病毒、毒素及化学毒剂等[3]。虽可通过各类物理隔绝装备起到一定的阻隔效果,但有毒有害物质仍有很大概率侵入机体。生物和化学战剂通常具备低剂量、高毒性、起效迅速及常规医疗不理想等特点,侵入机体后能够造成失能等急性病理状态乃至死亡风险[3-4]。因此,研究各类生物和化学战剂发挥功能作用的方式及具体机制,有助于反生化武器装备及机体解毒药剂等研制。针对开展生物和化学战剂发挥功能作用的方式及具体机制相匹配的实验模型相关研究,尤其是能够模拟人体组织生理病理特征的实验模型,对于提高研制速率及成功率等具有十分重要的意义。本文主要就有望用于特殊战创伤研究模型的几种类器官及器官芯片作一综述。

1 类器官及器官芯片

现阶段战创伤研究中使用的实验模型依旧以二维(2D)细胞模型和动物模型为主,但通过细胞和动物模型获取的实验数据与临床实验数据存在较多差异。就药物研究领域而言,临床前表现良好的候选药物在人体临床试验中超过90%均会失败,实验模型的局限性是重要原因之一,严重阻碍了药物研发效率。因此,优化并使用与人体组织生理、病理特性更为接近的实验模型对提高相关研究效率具有重要意义。

类器官是利用发育生物学相关原理,诱导干细胞“自主装”形成的三维(3D)多细胞结构的微细胞团,具备真实器官的一些关键细胞、相似的解剖学特征甚至某些功能特征[5];器官芯片则是一类体外微流控细胞培养装置,利用生物工程策略制备适宜活细胞生长的微通道芯片,进而模拟真实器官的某种微生理功能[6]。细胞和动物模型的局限性不言而喻,如永生化细胞系甚至原代细胞进行传统的2D细胞培养,则无法完全模拟组织器官的结构和异质性,缺少不同类型细胞间的相互作用,不能完全反应出损伤后组织器官真实的生理病理状态及细胞响应;而动物模型虽是现在科学研究中最重要的组成,依旧存在一定的局限性,最显著的就是与人之间的物种隔离造成的免疫系统差异等,使得实验结论可能与人体有所差异,因此也不能完全模拟人体中的生理病理学特征。此外,临床前实验常用的非人灵长类动物价格昂贵、操作复杂;而用于研究的战创伤人体标本更加无法获取。由此可知,类器官和器官芯片能较好的弥补传统细胞模型和动物模型的局限性,且操作相对简单、培养周期适宜、能够实现高通量研究需求等特性。

常规冷兵器和热武器造成的枪弹伤、炸伤及刃器伤等机体开放性战创伤[7],由于其研究通常需要在整体动物模型上开展,若将类器官及器官芯片做为研究模型则存在一定的局限。但生物战剂和化学战剂是通过呼吸系统、皮肤、胃肠道及血液系统等进入机体直接损伤组织器官,造成特殊性战创伤[8-9]。因此,具备真实器官相同的关键细胞、相似的解剖学结构和某些功能特征的类器官及器官芯片,似乎更加适宜作为此类直接损伤组织器官的特殊性战创伤研究模型。

2 类器官及器官芯片在生化战剂损伤研究中的应用

2.1 呼吸道类器官及器官芯片呼吸系统是生化战剂侵入机体发挥损伤作用最典型的途径之一,也是生化战剂直接攻击的主要组织[9-10]。细菌、真菌、病毒及化学毒气等均能够轻易借助口、鼻进入机体,直接损伤咽部、喉部、支气管和肺组织等呼吸系统,导致呼吸道炎症及梗阻、肺水肿、肺损伤、出血、窒息、脓毒症乃至死亡[10]。2010年Ingber实验室成功创建了肺器官芯片模型以模拟肺泡结构及其收缩和舒张功能[11],该模型也已广泛应用于各类研究领域,包括细菌、化学物质、纳米材料以及有毒有害物质的检测[12-13]。近年针对新冠病毒的研究中,肺类器官及器官芯片也发挥了重要作用,Han等[14]构建了人多能干细胞(human pluripotent stem cells, hPSCs)衍生的肺和肠道类器官系统并对FDA批准药物进行筛选,成功鉴定出了包括伊马替尼、霉酚酸和盐酸阿那卡因在内的三种具备抗SARS-CoV-2活性的药物;Nature杂志上最近的研究也显示,研究人员利用人成体干细胞分化的气道类器官结合肠道、胆管类器官,发现并验证了一种原本用于治疗肝病的药物——熊去氧胆酸,可关闭ACE2受体以预防新冠病毒各种变体的感染[15];Chen等[16]改进了一种更为仿生的人肺芯片微生理系统,具有肺泡、肺支气管腔和微血管单元,且允许多种免疫细胞整合入系统,应用于病毒、炎症反应及其他肺部高危感染性疾病的研究中。上述研究表明呼吸道类器官及器官芯片完全适用于细菌、病毒及化学毒剂等生化战剂的相关研究,可用于探究生化战剂对呼吸系统造成的病理损伤状况及具体损伤机制,也可辅助相应解毒试剂和药物的开发及高通量筛选。

2.2皮肤类器官及器官芯片皮肤是另一典型的生化战剂损伤靶器官,任何具有损伤皮肤、透皮吸收以及腐蚀性的战剂均可对皮肤造成伤害,或者经皮肤进入机体造成破坏[9]。如路易氏毒剂,一种易被皮肤吸收的亲脂液体,会迅速引起皮肤灼烧感、红斑伴有炎症反应,随后出现血性水疱,进入机体后最终会导致细胞凋亡等病理损伤[17]。近年来,结合类器官和器官芯片技术,更为先进的仿生皮肤模型正在被不断重建,称为皮肤芯片[18]。虽然皮肤芯片仍有许多局限性,但也已被应用于模拟疾病、细菌感染及药物毒性和功效测试等[19]。Wufuer等[20]使用皮肤芯片模拟了人类皮肤结构(包括人表皮、真皮和内皮组织)和功能反应,真皮层中使用肿瘤坏死因子诱导了皮肤炎症和水肿,利用该模型测试了治疗性药物的疗效,并评价了皮肤屏障功能。文献报道称,现在开发的皮肤芯片模型(如EpiSkin、SkinEthic和EpiDerm)具有众多的研究应用可能性:皮肤刺激,腐蚀,水合作用,药物输送,抗衰老,紫外线防护等[21]。上述研究表明皮肤芯片同样适用于生化战剂导致的皮肤损伤研究,可用于开发相应的损伤模型、评估有毒有害物质的透皮吸收情况、探究具体损伤机制及辅助研发解毒制剂等,相较于传统模型而言可以实现高通量实验开展。

2.3耳、鼻、喉类器官及器官芯片耳、鼻、喉区域虽空间狭窄,但解剖结构多且成分复杂,分布有重要血管及神经网络[22]。不仅是生化战剂入侵机体的主要途径,其自身区域也会遭受破坏,从而导致严重的机体损伤及战场减员。如二苯氰胂和二苯氯胂毒剂主要刺激上呼吸道,导致剧烈咳嗽、喷嚏及流涕,鼻、咽喉部烧灼样疼痛等,长期高剂量暴露会导致全身中毒表现,头痛及精神抑郁等[23];三氯化砷则会导致喉头水肿甚至窒息,大量接触可造成神经损伤等[23]。耳、鼻、喉作为重要的组织结构,相应的类器官研究也一直备受关注。Kurihara等[24]通过hPSCs优化构建的耳类器官成功识别出了顺铂的神经毒性,有望成为一种新的药物评价系统。Wu等[25]借助包含纤毛细胞、杯状细胞和基底细胞的鼻上皮类器官,详细解析了SARS-CoV-2感染呼吸道上皮细胞及进出鼻腔细胞的具体机制;并提出了使用鼻喷剂或预防性短效药物延迟病毒进出和传播,为免疫系统介入而阻止全面感染争取时间的新预防性策略。目前关于喉类器官及器官芯片的研究较少,但喉属于呼吸系统,且功能主要依赖源于前肠的喉上皮结构[26]。因此,借鉴肠、支气管上皮类器官及器官芯片培养方法,或可开发出相应的喉上皮类器官及器官芯片。上述研究提示耳、鼻、喉类器官及器官芯片也是生化战剂研究的潜在可靠实验模型,同样能够开展高通量实验,有助于解毒、缓解症状等制剂的开发。耳鼻喉是通过咽鼓管相连通,若能实现耳、鼻、喉类器官或器官芯片的联用,对科学研究的帮助和意义则更加重大。

3 结 语

随着科技水平的飞速发展,使得现代战争作战环境变得极其复杂、杀伤性武器品种也层出不穷,尤其是生化武器的种类及使用情况无法预测。但生化武器的严重危害性促使我们不得不做好相应准备,因此针对性的科学研究必须加快脚步、提高效率。

类器官及器官芯片作为现阶段具备最为接近人体器官某些功能的研究模型,可以有效的提高生化战剂导致的战创伤相关研究的实验效果及可靠性、且实验过程具有一定的可控性。现阶段人体各器官几乎都有对应的类器官及器官芯片模型,但多数都是只能以单一模型开展研究,多类器官及器官芯片联用模型一直是领域内致力攻克的难题,若能实现将会给科学研究注入一剂强心针。结合人工智能分析手段,可进一步实现战创伤研究的快速和高通量实验开展,以及相应药物的高通量筛选,随着科技的进步,未来或许可实现战时未知有毒有害物质的快速获取、分析以及解毒药剂的制备等。